密合狀態對平面口罩防護效果測試的影響*

何 軍 路正輝 嚴繁晃 王 敏 沈 燕

1. 福建省纖維檢驗中心，福建 福州 350026； 2. 福建省紡織產品檢測技術重點實驗室，福建 福州 350026；

2022年初，德爾塔、奧密克戎等新型冠狀病毒變異毒株的傳染性再次增強，它們極易直接或間接導致感染。佩戴口罩能有效提升個體防護能力，阻斷病毒傳播鏈條，這點已在全世界形成共識。

近年，有關防護口罩的研究主要集中在被過濾顆粒物的粒徑與分布[1-2]、濾材與口罩的類型[3]、佩戴的舒適性[4]、相對濕度與泄漏率[5-6]、佩戴的適合性[7-8]及檢測的標準[9-11]等方面，這些都為了解口罩的防護性能及其影響因素提供了重要的科學依據，然而有關平面口罩防護效果檢測方面的研究還是偏少。自疫情暴發以來，隨著口罩等防疫物資需求的劇增，國家加強了對產品質量安全風險的監測力度，已連續3年將非醫用口罩列入重點監管目錄。據有關統計[12]，2020—2021年，非醫用口罩產品的送檢、抽檢結果并不樂觀，如防護效果檢驗不合格率從2020年的31.48%上升到了2021年的41.07%，非醫用口罩的關鍵指標不合格率居高不下，令人擔憂。此外，還存在“口罩的過濾效率好，防護效果就好”“口罩過濾效率檢驗合格，防護效果肯定合格”等觀念，將防護效果寄托于產品本身，混淆了過濾效率與防護效果兩個概念，并忽略了使用者口罩佩戴過程的密合性、規范性與環境適用性，既片面又不科學。鑒于此，為探究平面口罩防護效果檢驗合格率偏低的原因，糾正疫情防控中不科學的觀念與認識，本文從質量檢驗的角度出發，嘗試采用橡膠泥對試樣進行半密合、全密合預處理，分析檢測試驗中試樣的密合狀態對防護效果的影響，以期為口罩企業改進生產工藝、提高產品質量提供技術參考。

1 試驗

1.1 測試方法

過濾效率測試與防護效果測試的環境條件、NaCl氣溶膠顆粒物過濾效率檢測系統、防護效果檢測裝置、測試倉、濃度監測儀、呼吸模擬器與頭模等的參數設置均參照GB/T 32610—2016[13]。測試介質為NaCl氣溶膠顆粒物，配置NaCl溶液質量分數為1.5%～1.7%。

過濾效率(F,%)計算式：

F=(η0-η)/η0×100%

(1)

式中：η0——夾具上腔內NaCl氣溶膠顆粒物的質量濃度，mg/m3；

η——夾具下腔內NaCl氣溶膠顆粒物的質量濃度，mg/m3。

防護效果(P,%)計算式：

P=(C1-C2+C0)/C1×100%

(2)

式中：C1——測試過程中，測試倉內NaCl氣溶膠顆粒物的質量濃度，mg/m3；

C2——測試過程中，頭模呼吸腔內NaCl氣溶膠顆粒物的質量濃度，mg/m3；

C0——測試前，待測試倉穩定后，試樣內部顆粒物的本底質量濃度，mg/m3。

1.2 儀器設備

青島眾瑞ZR-1006型口罩顆粒物過濾效率及氣流阻力測試儀(圖1)，配置有NaCl氣溶膠發生器。多普勒口罩防護效果測試儀(圖2)，配置有TOPAS ATM230氣溶膠發生器、Thermo氣溶膠監測儀、男性標準頭模。

圖1 ZR-1006型口罩顆粒物過濾效率及氣流阻力測試儀

圖2 口罩防護效果測試儀

1.3 試樣的選擇與試驗方案

選取20組(n=20)不同品牌、不同過濾等級且具有代表性的平面口罩試樣，每組6個試樣(其中，3個試樣用于測試過濾效率，3個試樣用于測試防護效果)。試樣與試驗方案見表1，其中未密合測試是指展平試樣褶皺后，將試樣佩戴在頭模上，使用中等力度按壓口罩四周(包括鼻梁、兩頰與下顎)，使試樣與頭模面部自然貼合，測試試樣的防護效果(圖3)；半密合測試是指展平試樣褶皺后，利用橡膠泥密封試樣的上沿與頭模鼻梁兩側的縫隙，測試試樣的防護效果(圖4)；全密合測試是指展平試樣褶皺后，利用橡膠泥密封試樣四周與頭模面部包括鼻梁、兩頰與下顎的縫隙，測試試樣的防護效果(圖5)。測試用頭模為成年男性標準頭模。

圖3 未密合測試

圖4 半密合測試

圖5 全密合測試

試樣的調濕與測試均在溫度為(25±5)℃、相對濕度為(30±10)%的恒溫恒濕環境中進行。

2 結果與討論

2.1 過濾效率與防護效果的測試結果

以每組3個試樣各測試45 s內的過濾效率最小值的平均值作為過濾效率測試結果。

GB/T 32610—2016中，防護效果測試結果取測試1 h內獲得的防護效果最小值，而本試驗為了較深入地分析試樣密合狀態對防護效果測試結果的影響，取1 h內試樣每分鐘防護效果數值的平均值作為防護效果測試結果。

表2對20組試樣的過濾效率與防護效果的測試結果進行了歸納，其中：Pw、Pb、Pq分別表示試樣測試1 h內未密合狀態時、半密合狀態時、全密合狀態時的防護效果的平均值；Pw，Min、Pb，Min、Pq，Min分別表示試樣測試1 h內未密合狀態時、半密合狀態時、全密合狀態時防護效果的最小值；Pw，Max、Pb，Max、Pq，Max分別表示試樣測試1 h內未密合狀態時、半密合狀態時、全密合狀態時防護效果的最大值。

表2 試樣的過濾效率與防護效果的測試結果 單位：%

2.2 過濾效率與防護效果之間的相關性

GB/T 32610—2016規定，平面口罩對NaCl氣溶膠顆粒物過濾效率的最低要求為Ⅲ級(F≥90.0%)，防護效果的最低要求為D級(P≥65.0%)。由表2可知，20組試樣中，過濾效率合格(F≥90.0%)的有10組，其中試樣未密合時防護效果測試不合格(Pw<65.0%)的有6組，分別為第11、14、15、16、17、18組。

利用EXCEL(Microsoft Office Professional Plus 2013)中函數CORREL對表2中試樣未密合時測得的防護效果數據進行分析，得到防護效果與過濾效率的相關系數(r)，具體見表3。以|r|<0.400表示弱相關為判斷標準，表3中試樣在未密合狀態時的防護效果與過濾效率總體表現出弱相關性?？梢姡矫婵谡值倪^濾效率不能決定其防護效果。

表3 試樣在未密合狀態時測得防護效果與過濾效率的相關性

過濾效率能較準確地反映口罩罩體濾除顆粒物的能力，而防護效果不能完全反映口罩罩體阻隔顆粒物的能力，其還與口罩邊封結構設計、鼻梁條的塑形性及口罩佩戴的密合狀態等有關。試驗中，未密合狀態的口罩試樣與頭模之間尤其是在鼻梁處、臉頰處不同程度地存在一些縫隙(圖6)，這會導致測試中氣溶膠顆粒物的泄漏，罩體防護性能下降或失效，最終導致平面口罩防護效果的檢測結果合格率偏低。

圖6 鼻梁處和臉頰處的縫隙

此外，試驗用頭模的設計與型號也會對防護效果的測試結果產生影響。不同廠家在頭模尺寸(如鼻高、鼻深、兩耳屏間寬等)、部位形態與位置(如耳朵、鼻子等)，以及材質(如品種與硬度)等設計方面存在差異(圖7)。此外，頭模有大、中、小等型號(圖8)。測試時，各實驗室一般根據試樣大小選定頭模，其中成人口罩與兒童口罩較容易區分，但男性口罩與女性口罩選擇頭模時方式并不統一。這些都會對防護效果的測試結果產生影響。

圖7 不同廠家試驗用頭模

圖8 不同型號的試驗用頭模

2.3 平面口罩密合狀態對防護效果的影響

從表2可以看出，20組試樣在全密合狀態下的防護效果測試結果最大，半密合狀態的次之，未密合狀態的最小，即Pq>Pb>Pw。表4對密合預處理后試樣防護效果的提升幅度即(Pb-Pw)、(Pq-Pw)和(Pq-Pb)進行了歸納。

表4 試樣經密合預處理后防護效果的提升幅度 單位：%

從表4可以看出：試樣經密合預處理后，20組試樣的防護效果明顯提升，全密合狀態的防護效果較未密合狀態的平均提升32.64%，半密合狀態的防護效果較未密合狀態的平均提升22.04%?？梢?，鼻梁處是平面口罩防護效果測試中顆粒物最容易泄漏的位置。防護效果測試前對試樣進行密合預處理，提升平面口罩與頭模間的密合性，可明顯提高防護效果，這一結果與相關研究結論基本一致[14]。

2.4 平面口罩密合狀態對防護效果測試穩定性與準確性的影響

防護效果測試過程中，質量濃度指標C1和C2的變化可以實時反映測試過程的穩定性?？刂撇⒈M量降低C1和C2的變化幅度，有利于降低異常值出現的概率和被報出的風險，提高測試過程的穩定性，這對確保檢測結果的準確與可靠非常有幫助。

表5 20組試樣在3種密合狀態下的防護效果極差 單位：%

未密合狀態測試中，試樣邊沿尤其是鼻梁處會在吸呼氣的氣壓作用下造成泄漏，過濾作用減弱，進入頭模呼吸腔內顆粒物的質量濃度C2迅速增加，氣流紊亂且流速加快，同時在C1波動的疊加影響下，所得防護效果數據的最大偏差達到最大，即極差ΔPw最大。

全密合狀態測試中，試樣邊沿與頭模面部貼合緊密，進入試樣內部或頭模呼吸腔內的氣溶膠顆粒物質量濃度C2大幅減小且變化幅度小，氣流穩定且流速均勻，故此時所得防護效果數據的最大偏差最小，即極差ΔPq最小。

3 結論

本文參照相關標準，對20組不同過濾等級的平面口罩在不同密合狀態下進行了過濾效率和防護效果測試，發現在過濾效率合格(F≥90.0%)的10組試樣中，未經密合時防護效果不合格(P<65.0%)的占6組，且未密合狀態時試樣的防護效果與過濾效率之間相關系數r=0.024，表明平面口罩的過濾效率不能決定其防護效果；利用橡膠泥對試樣進行密合預處理后，所有試樣的防護效果較未密合試樣的有明顯提升，其中全密合狀態的防護效果較未密合狀態的平均提升了32.64%，半密合狀態的防護效果較未密合狀態的平均提升了22.04%；試樣經密合預處理后，防護效果數據極差ΔP減小，其中試樣全密合狀態的防護效果測試結果最穩定，準確性最高。

基于這一研究結果，可以得出：

(1)口罩的過濾效率是影響防護效果的關鍵指標，但兩者并無顯著相關性，防護效果具體還取決于口罩與面部間的密合狀態。

(2)改善口罩與面部間的密合性，可以大幅提高口罩的防護效果，這也是防疫宣傳工作中提出正確佩戴口罩的由來。

(3)口罩生產企業應在嚴格把控熔噴布原材料質量的同時，重點關注口罩結構設計的合理性，以及鼻梁條的定型效果。

(4)頭模生產廠家在參考標準尺寸數據的同時，應注重開發適合中國人群面部特征的頭模。

(5)測試倉內采樣端口距離試樣口鼻處的具體位置、口罩內顆粒物的本底質量濃度及測試倉容積大小等，現行標準中都沒有明確的規定，但實際測試發現這些參數都會對防護效果測試結果產生一定的影響，故有待后續做進一步的探討和研究。